Chodzić, biegać, podskakiwać

Przed stu i więcej laty Dolina Krzemowa pełna była cienistych sadów i nasłonecznionych farm. Szybkie konie dostarczały rozrywki bogatym właścicielom ziemskim, takim jak Leland Stanford, magnat z Palo Alto, który założył się kiedyś ze sceptycznym sąsiadem, że galopujące konie chwilami nie dotykaj ą ani jednym kopytem ziemi. Oponenci zorganizowali bezpośrednią próbę, powierzając jej wykonanie Eadweardowi Muybridge’owi, pomysłowemu fotografowi z San Francisco. Ten rozmieścił wzdłuż toru wyścigowego Stanforda około 20 aparatów fotograficznych zmodyfikowanych tak, by migawki były wyzwalane kolejno, jedna po drugiej, gdy galopujące konie zrywały nitki rozpięte w poprzek toru. Sekwencja uzyskanych obrazów nie pozostawiała wątpliwości: Stanford wygrał zakład, Muybridge zaś, którego kariera potoczyła się po tym sukcesie w zupełnie innym kierunku, stał się jednym ze sławnych na całym świecie pionierów kinematografii. Jego późniejsze albumy fotograficzne z 1887 roku, do dziś często reprodukowane, zawieraj ą cudowne sekwencje ruchów ludzi wszelkiej kondycji oraz zwierząt spotykanych w ogrodach zoologicznych.

Te wcześniejsze badania rozwinęły się, głównie po II wojnie światowej, w samodzielną gałąź wiedzy o lokomocji zwierząt (książka Muybridge’a nosiła właśnie tytuł Animal Locomotion). Jednym z głównych przedmiotów jej badań jest oczywiście zwierzę ludzkie, a zastosowania ma rozliczne – od ćwiczeń fizycznych po sport, taniec, ortopedię... (Wasi autorzy także, udekorowani świecącymi na czerwono diodami, kuśtykali przed sterowanymi przez komputer kamerami lokalnego „laboratorium chodu”, aby wygenerować sekwencję ruchów ludzika na ekranie).

Zaawansowane były fizjologa Alberto E. Minettiego ze znanego laboratorium w Mediolanie. Jego analizator ruchu, jak sam mówi, składa się „z czterech kamer na podczerwień mogących rejestrować (...) w trzech wymiarach położenie 18 odbijających znaczników rozmieszczonych na odpowiednich stawach badanego”. Obrazy są przeliczane przez specjalny program co parę centymetrów ruchu bieżni przesuwającej się pod stopami.

Człowiek porusza się najczęściej na jeden z dwóch sposobów – chodzi lub biega – i obydwa te sposoby są zapewne wrodzone. Zasadniczy charakter danego typu lokomocji jest wyznaczony przez czas i miejsce zetknięcia się z ziemią każdej stopy. Najważniejsza jest sekwencja czasowa: w chodzie i w biegu występuje ten sam podwójny, powtarzający się rytm, jednakże idący człowiek zawsze dotyka ziemi jedną stopą, a chwilami obydwiema. Gdy jedna stopa się podnosi, druga już spoczywa na ziemi. Tymczasem biegacz unosi się nad ziemią przez ponad 15% czasu; podczas biegu kontakt z ziemią każdej stopy jest w regularny sposób opóźniany w stosunku do momentu, w którym powinien nastąpić. Biegacz nie zauważa zwykle tych momentów swobodnego lotu, trwają bowiem mniej niż jedną dziesiątą sekundy przy normalnych prędkościach biegu.

Na podstawie bardzo szczegółowych analiz można naszkicować dwa uproszczone modele. Chodzenie przypomina ruch wahadła. Przyjrzyjmy się pieszemu w momencie, gdy jedna noga pozostaje w tyle, a druga wysunięta jest do przodu, tworząc wraz z pierwszą odwrócone V. Za chwilę noga pozostająca w tyle podnosi się i mija tę, która była z przodu. Kiedy się mijają, prawie wyprostowane poniżej tułowia, obydwie dotykają ziemi, a środek ciężkości piechura jest nieco uniesiony, bo nogi, prawie wyprostowane i bliskie pionu, utrzymują go nieco wyżej, niż wtedy, gdy tworzą odwrócone V. Potem nogi znowu tworzą odwrócone V, zamieniając się miejscami. Całkowita energia mechaniczna cyklicznie zmienia postać, przechodząc od energii kinetycznej mijających się nóg i unoszącego się ciała do grawitacyjnej energii potencjalnej w momencie maksymalnego uniesienia środka ciężkości. Podobna zamiana energii zachodzi w wahadle, w którym energia kinetyczna, maksymalna w najniższym punkcie, zamienia się okresowo w energię potencjalną, największą przy skrajnym wychyleniu wahadła. Zmagazynowana energia potencjalna jest w większości odzyskiwana i przyczynia się do zredukowania prawie o połowę wydatku energetycznego podczas chodzenia w stosunku do tego, który byłby potrzebny wówczas, gdyby mijające się nogi nie unosiły środka ciężkości.

Piechur jakby wtacza się pod górę podczas środkowego momentu kroku, gdy nogi są prawie wyprostowane, a potem łagodnie stacza się w dół pod wpływem siły ciężkości. Biegacz natomiast porusza się dłuższymi, bardziej swobodnymi krokami dzięki pracy mięśni szybko zginających i prostujących nogi. Ciężar uniesionej przez biegacza nogi nie jest dość duży, aby ją dostatecznie szybko opuścić. W efekcie, zanim noga opadnie, biegacz wykonuje mały podskok. Zarówno energia kinetyczna – w ruchu poziomym i pionowym – jak energia potencjalna środka ciężkości osiągają maksimum w tym samym czasie, w fazie „lotu”. To maksimum energii jest na krótką chwilę magazynowane, a następnie uwalniane w momencie kontaktu z ziemią, aby posłużyć do następnego cyklu ruchu.

Mięśnie nie są jednak ładowane przez energię mechaniczną, a wymiana energii grawitacyjnej zachodzi zbyt wolno w stosunku do tempa biegu. Energia jest więc magazynowana w napiętych ścięgnach i więzadłach łączących mięśnie z kośćmi; naprężają się one i rozciągają, łagodząc energetyczne maksima i oszczędzając wiele całkowitego wysiłku. Biegacz odbija się sprężyście, podobnie jak piłka, dzięki elastyczności ścięgien będących subtelnie splecionymi wiązkami kolagenu, strukturalnego polimeru białkowego, znacznie bardziej elastycznego niż jakakolwiek superpiłka.

Trzeci sposób lokomocji człowieka zaczęto systematycznie badać dopiero w 1998 roku. Wszyscy ten sposób znamy, choć w większości zaniedbaliśmy nasze dawne umiejętności. Myślę tu o podskakiwaniu, radosnym sposobie poruszania się dzieci. (Dorośli też często podskakują na ostrych zakrętach i przy schodzeniu ze schodów. We włoskim laboratorium stwierdzono, że większości badanych dorosłych mężczyzn wystarcza zaledwie kilka minut treningu, aby nabrać wprawy w podskakiwaniu na ruchomej bieżni.) Ogólną cechą podskakiwania jest rytm L–L, P–P, zupełnie inny od nieodmiennego L–P, L–P podczas chodzenia i biegania. W odróżnieniu od piechura, podobnie natomiast do biegacza, podskakujący przez ułamek sekundy unosi się w powietrzu. W odróżnieniu od biegacza, a podobnie do piechura, podskakujący przez chwilę podpiera się jednocześnie obydwiema nogami.

Pod pewnymi względami podskakiwanie wymaga od organizmu wiele wysiłku: zużywa się przy nim więcej energii niż przy innych chodach, jego rytm jest zwykle szybszy i wymaga od mięśni nóg większej siły niż podczas biegu. Podskakiwanie kojarzy się z końskim galopem. Coraz więcej przemawia za tym, że w lokomocji siła może być równie ważna jak energia – maksymalne napięcie mięśni może być równie ważnym czynnikiem ograniczającym jak wykonywana przez nie praca. Astronauci na Księżycu woleli podskakiwanie od innych kroków, których próbowali. W warunkach małej siły ciążenia niewielki jest również wydatek energetyczny podczas poruszania się, co każdemu ułatwia podskoki, zmniejsza się również siła wymagana od mięśni.

Wyraźnie widać, że o sposobach lokomocji, nawet o chodzie człowieka, nie wiemy jeszcze wszystkiego, choć zarówno wyniki badań naukowych, jak i obserwacja życia codziennego dostarczaj ą wielu zadziwiających informacji tej zróżnicowanej dziedzinie, która potrafi opisać ruch żywych organizmów, poczynając od bakterii, a kończąc na brachiozaurze, organizmów poruszających się na lądzie i pod ziemią, w wodzie i w powietrzu. Nie wszystkie z tych zagadnień wymagają zastosowania zaawansowanej technologii w „laboratoriach ruchu”, wiele natomiast nadal prosi się o zainteresowanie naukowców amatorów prowadzących obserwacje w warunkach domowych lub terenowych.

Tłumaczył Jan A. Kozubowski

Komentarz ukazał się w „Świecie Nauki” 5/1999, s. 82.
Współautorką jest Phylis Morrison.
Oryginalny tytuł: „Chodzić, biegać, podskakiwać”.
Lead pochodzi od redakcji pulsara.